เมื่อพูดถึงเครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดในโลก ทุกคนก็จะนึกถึงอุโมงค์ยาว 27 กิโลเมตร สถานที่ตั้งเดิมของเครื่องเร่งอนุภาค LEP หรือ Large Electron Positron Collider ที่ภายหลังถูกปรับปรุงให้กลายมาเป็น Large Hadron Collider เครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมที่ใหญ่ที่สุดในโลกปัจจุบัน ในปี 2012 LHC ได้สร้างการค้นพบยืนยันการมีอยู่ของอนุภาค Higgs Boson ซึ่งสร้างความรู้ความเข้าใจด้านฟิสิกส์อนุภาคให้นักฟิสิกส์ และทำให้ Peter Higgs ผู้ที่ทำนายการมีอยู่ของมันได้รับรางวัลโนเบลในปี 2013
ล่าสุดวันที่ 15 มกราคม 2018 CERN ก็ได้ประกาศ Concept Design แรกของ FCC หรือ Future Circular Collider เครื่องเร่งอนุภาคตัวใหม่ที่จะมาทำหน้าที่แทน LHC
CERN ประกาศบนหน้าเว็บถึง Concept Design ของ FCC หรือ Future Circular Collider ที่นักฟิสิกส์ทั่วโลกรอคอย
เครื่องเร่งอนุภาค เป็นอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ที่มีราคาแพงที่สุดและสร้างได้ยากมาก เราวัดคุณภาพของมันที่พลังงานที่มันเร่งอนุภาคได้ ซึ่งทีหน่วยเป็น eV หรืออิเล็กตรอนโวลต์ เครื่องเร่งอนุภาค LHC เคยเร่ง “Proton Beam” หรือลำอนุภาคโปรตรอนได้พลังงานสูงสุดถึง 7 เทระอิเล็กตรอนโวลต์ หรือ 7 TeV ทำให้พลังานที่ได้จากการชนกันของลำอนุภาค 2 ลำเป็น 14 TeV ยิ่งพลังงานสูง เราก็จะยิ่งมีโอกาสเจออนุภาคใหม่ ๆ ที่เป็นผลผลิตจากการชน เราจะรู้ได้ผ่านการตรวจจับของ Detector ที่ใช้เทคนิคต่าง ๆ ในการ “วัดค่า” พลังงานของอนุภาคที่เกิดจากการชนและศึกษาคุณสมบัติต่าง ๆ ของมันเช่น การเบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็ก
ก่อนหน้านี้มีข่าวว่าประเทศจีนก็จะสร้างเครื่องเร่งอนุภาคที่ให้พลังงานสูงกว่า LHC จาก China’s Institute of High Energy Physics ที่ประกาศว่าจะสร้าง Circular Electron Positron Collider เป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่เร่ง Electron และ Position อนุภาคปฏิตรงข้ามของมันให้มาชนกัน จากเอกสารบอกว่า CEPC จะสามารถสร้างการชนของ Electron และ Positron ณ พลังงานต่อ Beamline อยู่ที่ 120 GeV ซึ่งนับว่าสูงมาสำหรับอนุภาคที่เล็กและมีพลังงานน้อยอย่าง Electron และ Positron
แน่นอนว่าทั้ง CEPC และ FCC ยังคงเป็น Concept Design หรือการออกแบบข้างต้นก่อน แต่แค่นี้ก็ทำให้เราพอเห็นอนาคตของวงการฟิสิกส์อนุภาคได้แล้ว
Future Circular Collider
เครื่องเร่งอนุภาคตัวใหม่ที่อยู่ในขั้น Concept Design นี้สิ่งแรกที่น่าทึ่งของมันเลยก็คือขนาด เราได้รู้จักกับ Tevatron เครื่องเร่งอนุภาคสำหรับเร่งอนุภาคในกลุ่มแฮดรอน (โปรตรอน และนิวตรอน แต่เราเร่งนิวตรอนไม่ได้เพราะไม่มีประจุ) ที่เคยเร่ง Proton และปฏิอนุภาค Anti-Proton มาชนกัน ณ พลังงาน 2 TeV ที่ปัจจุบันข้อมูลของมันก็ยังศึกษากันไม่หมด แม้ว่าจะเลิกใช้ไปแล้ว เราได้รู้จักกับ LHC ที่ชนอนุภาค Proton กับ Proton กัน ณ พลังงาน 14 TeV และเร่ง Electron กับ Positron มาชนกันที่พลังงาน 209 GeV (สมัยที่ยังเป็น LEP) แต่ FCC จะทำให้เครื่องเร่งอนุภาคทั้ง 2 ตัวกลายเป็นของเล่นไปเลย
FCC จะมีความยาวทั้งหมด 100 กิโลเมตร เป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดในโลก หน้าที่ของมันยังคงเร่งอนุภาคของหนักอย่าง Proton (แต่ก็ไม่หนักที่สุดนะ เราเคยเร่ง Lead-ion หรืออะตอมของธาตุกะกั่วมาแล้ว ณ พลังงาน 5 TeV ) ซึ่งการศึกษาอนุภาคที่เป็นผลผลิตจากการชนกันของอนุภาคกลุ่มแฮดรอนอย่าง Proton ยังคงเป็นที่สนใจแก่นักฟิสิกส์ FCC จะสร้างการชนที่พลังงาน 100 TeV (แต่ละลำมีพลังงาน 50 TeV)
ในส่วนของอนุภาคที่เล็กกว่ามาก ๆ อย่าง Electron และ Positron (ซึ่งทำให้มันเป็นคู่แข่งกับ CEPC ของจีนอย่างปฏิเสธไม่ได้) ก็สามารถเร่งให้ได้พลังงานจากการชน 90-350 GeV ซึ่งแอบ ๆ มากกว่า CEPC ของจีนที่ถ้าอ้างจากรายงานด้านบนจะอยู่ที่ประมาณ 200 GeV นิด ๆ
ถ้าเราจะลองคิดเล่น ๆ ว่า FCC ยาวแค่ไหนให้ลองคิดว่าอนุภาคจะถูกเร่งให้ได้ความเร็วประมาณ 99.99% ของความเร็วแสงในสุญญากาศ แสงจะสามารถเดินทางได้ถึง 3,000 กิโลเมตร ใน 1 วินาที นั่นหมายความว่าใน 1 วินาทีอนุภาคจะวิ่งวนรอบ FCC ได้มากถึง 30 รอบ ก็ไม่รู้ว่าจะพูดยังไงดีว่า FCC มันใหญ่ หรือว่าแสงมันไว แต่ก็เป็นหนึ่ง Facts ที่น่าตื่นเต้นพอสมควร
FCC จะยังคงตั้งอยู่บนพื้นที่เดิมของ CERN แต่กินพรมแดนใต้ดินฝรั่งเศสไปเยอะพอสมควร และถ้าภาพด้านบนคือแหล่งก่อสร้างจริง ๆ ของ FCC มีบางส่วนที่จะต้องขุดลงไปใต้ทะเลสาบเจนีวาด้วย (น่าตื่นเต้นมาก) ภาพบนคือภาพเปรียบเทียบขนาดของ FCC กับขนาดของ LHC ณ ที่ตั้งจริงของมัน ซึ่งกว่าเราจะได้เห็น FCC ทำงาน หรือ First Beam อาจจะต้องรอยาว ๆ ถึงปี 2050 เลย เพราะ Concept Design Report นี้ก็ตามชื่อว่าเป็นแค่ Concept ที่ถูกเขียนขึ้นมาโดยอ้างอิงจากความต้องการทางฟิสิกส์ปัจจุบันเท่านั้น ยังไม่ได้อนุมัติสร้างหรือศึกษาอะไรเพิ่มเติม
สำหรับ Concept Design นี้จะถูกนำไปพูดคุยเพื่อร่างแผน European strategy for particle physics ซึ่งจะต้องผ่านการอนุมัติจากสภาสหภาพยุโรป และศึกษาร่วมกับมหาวิทยาลัยอีกหลายมหาวิทยาลัย และหน่วยงานวิจัยอีกหลายหน่วยงาน
สงครามเร่งอนุภาค CEPC vs. LHC vs. FCC
อันที่จริงถามว่าข้อมูลจ่ก LHC และ Tevatron เยอะแค่ไหน ต้องบอกเลยว่า ณ ตอนนี้เรายังเอามาวิเคราะห์ไม่หมด ซึ่งก็จะคล้ายกับวงการอวกาศพอสมควร ดังนั้น ถ้า CEPC หรือ FCC จะใช้เวลาอีกนับสิบปีในการสร้างก็อาจจะไม่ใช่ปัญหาสำหรับวงการฟิสิกส์มากนัก จริง ๆ แม้กระทั่งเทคโนโลยีที่จะถูกนำมาใช้ใน FCC ก็ยังอยู่ระหว่างการศึกษา เช่น การสร้างสภาพแม่เหล็กความเข้มข้น 16 เทสล่า การสร้าง Superconductor ที่มีความแรงมาก ๆ หรือการสร้าง Detector ที่ละเอียดกว่าทั้ง CMS และ ATLAS ที่เราใช้กันอยู่กับเครื่อง LHC ทำให้ Concept Design ของ FCC นั้นจะช่วยผลักดันขีดจำกัดทั้งด้านฟิสิกส์และวิศวกรรมให้ดำเนินอยู่ตลอด
Standard Model แสดงอนุภาคต่าง ๆ ที่ ณ ตอนนี้แบ่งย่อยไปกว่านี้ไม่ได้แล้ว แบ่งออกเป็น 4 กลุ่มได้แก่ เลปตอน ควาร์ก และเกจโบซอน ซึ่งโปรตรอนไม่ได้อยู่ในแผนภาพนี้เพราะมันถูกประกอบขึ้นมาจากควาร์ก
ความหวังของทั้ง FCC และ CEPC คือการสร้างการค้นพบในส่วนที่เรียกว่าเป็น New Physics ที่เราไม่เคยได้รู้จักมาก่อน ในขณะที่นักฟิสิกส์ในฝั่ง Theoretical physics กำลังพยายามใช้สมการแหละทฤษฏีเข้าไปจับเพื่ออธิบายปรากฏการณ์ต่าง ๆ ในฝั่งของ Experimental physics ก็กำลังพยายามสร้างสภาพแวดล้อมและทดสอบเพื่อยืนยันการมีอยู่ของทฤษฏี สสาร และอนุภาคต่าง ๆ เหล่านี้ รวมถึงปัญหายอดฮิตอย่าง ความไม่สมมาตรกันของสสารและปฏิสสารในเอกภพ หรือทำความเข้าใจอนุภาคมวลน้อย ๆ อย่าง Neutrino หรืออนุภาคกลุ่ม Boson ชนิดอื่น ๆ
CEPC นั้นมุ่งเน้นไปที่การชนอนุภาคขนาดเล็ก ๆ อย่าง Electron ทำให้พลังงานจากการชนอาจะไม่มากเท่า Proton หรือ Lead-ion ของ LHC แต่ในขณะเดียวกันจีนก็ได้มีแผนที่จะอัพเกรด CEPC ให้เร่งอนุภาคกลุ่มแฮดรอนหรือใหญ่กว่านั้น ให้เป็น Super proton proton Collider (SppC) เหมือนกับที่ CERN อัพเกรด LEP ให้เป็น LHC
แล้วก็ระหว่างรอ LHC จะถูกอัพเกรดไปเรื่อย ๆ ให้ทำงานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพไปจนถึงปี 2035 ซึ่งบอกไว้ใน High-Luminosity upgrade (HL-LHC) ทำให้เราสบายใจได้ว่าจะมี Data ใหม่ ๆ ทางฟิสิกส์อนุภาคให้เราได้จับมาเล่นรอกันไปไม่ต่ำกว่าปี 2050 แน่ ๆ
ท่อของ The High-Luminosity Large Hadron Collide แบบ Cross-section ที่มา CERN/Robert Hradil
ทุกวันนี้ เราพยายามสร้างเครื่องมือต่าง ๆ ทางฟิสิกส์ขึ้นมาเพื่อใช้ศึกษาย้อนอดีตไปจนถึงจุดกำเนิดของเอกภพ ทั้งหมดนี้ไม่ได้แปลว่าเราต้องการที่จะควบคุมธรรมชาติ แต่เรากำลังพยายามศึกษาและอธิบายปรากฏการณ์ต่าง ๆ เหมือนกับที่มนุษย์ในสมัยโบราณตั้งคำถามต่อแนวคิดโลกแบน การเดินทางสำรวจอวกาศ การค้นพบใหม่ ๆ เราไม่รู้ว่าปลายทางของการเดินทางนี้จะไปสิ้นสุดที่ตรงไหน แต่สิ่งที่เรารู้ก็คือ ทุกครั้งที่เราเกิดการค้นพบ เราเห็นโอกาสใหม่ ๆ ที่เราจะดูแลเพื่อนมนุษย์ด้วยกันให้ดีกว่าเดิม เทคโนโลยีต่าง ๆ รวมถึงความเข้าใจในความเป็นมนุษย์และชีวิต
และนี่ก็คือความเจ๋งของศาสตร์ที่เรียกว่าวิทยาศาสตร์ เพราะมันคือการส่งต่ออย่างไม่มีที่สิ้นสุด ไม่รู้ว่ามันจะไปจบตรงไหน แต่เราทุกวันนี้ที่อยู่ตรงนี้ได้ก็เพราะการค้นพบและการเรียนรู้ที่ถูกส่งต่อกันมา เหมือนที่คุณ Carl Sagan พูดไว้ว่า ข้าพเจ้าไม่รู้ว่าข้าพเจ้ากำลังไปไหน แต่ข้าพเจ้ากำลังเดินทาง
เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO
